大断面不稳定岩层巷道支护技术研究

何 宁

（山西焦煤霍州煤电紫晟煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

1 工程概况

紫晟煤业2-1012 巷位于2#煤层一采区，担负2-101 工作面回风及运料。巷道底板标高为+94～+148 m，对应地表标高+530～+624 m，巷道北部联接2#煤层一采区胶带上山大巷，南部为矿井井田边界，东部为实体煤，西部为2-101 工作面。巷道顶底板岩性较差，直接顶薄层状以砂质泥岩为主，有星散状白云母及黄铁矿，直接底以薄层状砂质泥岩为主，有黄铁矿星散。2-1012 巷沿煤层顶板掘进，设计断面尺寸为5.2 m×4.0 m，净断面积为20.8 m2，属于大断面不稳定巷道[1-3]。

2 巷道支护方案数值模拟研究

2.1 模型的建立

根据2-1012 巷顶底板岩层赋存情况，采用FLAC3D建立数值模型，模型尺寸为50 m×50 m×5 m，模型上表面施加11.25 MPa（450 m×25 000 kN/m3）垂直应力用以模拟上覆岩层重力，模型其他边界以位移约束。模型采用摩尔-库伦破坏准则[4]，煤岩物理力学参数见表1。分别模拟三种不同支护设计方案下巷道围岩破坏情况及围岩位移量，从而选择最优的支护设计方案。

表1 煤岩物理力学参数

结合2#煤层其他回采巷道支护方案，决定采用“锚杆+锚索+金属网” 的支护方式。目前紫晟煤业常用锚杆的长度为分别为2.2 m 和2.4 m，因此，模拟共采用锚杆长度相同预紧力不同和预紧力相同锚杆长度不同情况下的三种支护方案，见表2。

表2 模拟支护设计方案

2.2 模拟结果分析

2-1012 巷掘进后三种支护方案下巷道围岩塑性区分布情况见图1。由图1可知，三种支护方案下围岩塑性区均在可控范围内，即三种方案都可以很好的对巷道围岩进行控制。但比较三种支护方案可知，支护方案1 条件下巷道围岩塑性区最为发育，巷道顶底板及两帮最大破坏深度可达1 m，围岩以拉伸破坏为主。对比方案1 和方案2 可知，锚杆预紧力对于围岩的稳定性具有重要作用，预紧力过低将导致围岩塑性区大范围发育。对比支护方案3 与方案2 可知，锚杆及锚索长度虽然有所降低，但围岩塑性区范围却变化不大。

图1 巷道围岩塑性区分布情况

综合比较3 种支护方案可以发现，围岩塑性区发育呈方案1＞方案3＞方案2 的特征。由此可知，锚杆、锚索支护情况下，预紧力对于巷道围岩控制作用最大，通过适当增加预紧力可以达到控制围岩塑性区发展，维持巷道稳定性的目的。而相较于预紧力，锚杆、锚索长度对于巷道围岩控制影响较小，当锚杆、锚索可以打到稳定岩层后，增加其长度对围岩控制几乎不再起作用。因此2-1012 巷道采用方案3 不仅可以保证巷道支护效果，而且可以降低支护成本。

表3为3 种支护方案下巷道围岩变形量。由表3可知，巷道开挖后围岩将出现不同程度的破坏。方案1 条件下巷道围岩变形量最大，巷道变形表现为方案1＞方案3＞方案2。方案3 与方案2 相比，虽然方案3 中锚杆长度减少0.2 m，但巷道围岩变形量相差并不明显。相较于方案2，方案3 中巷道顶板下沉量仅增大22 mm，底鼓量增大3.0 mm，两帮移近量分别增大8.2 mm 和2.2 mm。因此，方案3 是技术可行经济合理的最优方案。

表3 不同支护方案下巷道围岩变形量

3 现场应用

根据数值模拟结果，紫晟煤业2-1012 巷采用“锚杆+锚索+菱形网” 的支护形式及方案3 支护设计参数。巷道顶板共布置锚杆5 根及锚索2 根；锚杆选用直径20 mm 左旋螺纹钢，长度2 200 mm，间排距1 150 mm×1 000 mm，端部锚杆向巷道两帮倾斜20°，其余锚杆则垂直于顶板布置；锚索采用直径17.8 mm 钢绞线，长度8 000 mm，间排距2 300 mm×1 450 mm。巷道正帮采用玻璃钢锚杆，负帮采用左旋螺纹钢锚杆，锚杆直径16 mm，长度2 200 mm，间排距1 000 mm×1 000 mm，并在巷道正帮吊挂菱形塑料网以防片帮。

图2 巷道支护设计

为了验证巷道支护效果，在2-101 工作面回采期间，对2-1012 巷道围岩变形量进行监测，监测结果见图3。由图3可知，巷道未受超前支承压力影响时，巷道顶板移近量及两帮移近量基本保持不变，说明该支护方案下围岩塑性区得到控制，巷道围岩并没有进一步劣化。巷道在距离工作面40 m 位置时开始受超前支承压力影响，此时，巷道顶板移近量最大为92.4 mm，两帮移近量最大为70.2 mm，巷道围岩变形量基本位于合理范围内，表明现有支护能够保证巷道围岩稳定性。

图3 巷道距工作面煤壁不同距离时围岩移近量

4 结语

通过数值模拟对3 种支护方案下巷道围岩稳定性进行了分析。模拟结果表明，巷道围岩塑性区受锚杆锚固力影响较大，增大锚固力可以控制塑性区的发育，达到控制巷道围岩稳定性的目的。工作面回采期间，对巷道顶板及两帮移近量监测。结果表明，巷道顶板最大移近量为92.4 mm，两帮最大移近量为70.2 mm，巷道围岩变形量基本位于合理范围内，现有支护能够保证巷道围岩稳定性。